Температурные профили адиабатических

Рис. 111-23. Характер оптимального температурного профиля ступенчатого адиабатического реактора с подачей на ступени части исходного холодного потока сырья.

Определение оптимального температурного режима может быть сделано на основании математического описания нроцесса при этом, как правило, для сложных процессов благоприятен неизотермический режим. Однако в технике очень сложно осуществить оптимальный температурный профиль для проточного аппарата вытеснения. Поэтому используют или оптимальные изотермические режимы, или, чаще — оптимальные адиабатические режимы с подбором температуры входа. [c.111]

Помимо значений параметрической чувствительности на выходе реактора, которая при достаточно большой степени превращения не может быть высокой, существенную роль играет в данном процессе чувствительность температуры в горячей точке к изменению параметров процесса. Оценку величины Т , при которой параметрическая чувствительность температуры в горячей точке к изменению Ге должна быть аномально высокой, можно провести, как было показано в разделе УП.4, исходя из положения точки касания прямой теплоотвода на рис. 111.3 с кривой тепловыделения в адиабатическом режиме. Эта точка соответствует переходу от плавного продольного температурного профиля к профилю с резким температурным пиком. В тех же условиях следует ожидать и высокой чувствительности температуры в горячей точке к изменению всех других определяющих параметров процесса. [c.344]

Основные свойства теплового фронта химической реакции в неподвижном слое катализатора с технологической точки зрения представляют значительный интерес по следующим причинам 1) при движении теплового фронта в направлении фильтрации газа перепад температур во фронте (между максимальной и входной температурой реакционной смеси) может во много раз превосходить величину адиабатического разогрева смеси. Это позволяет осуществлять каталитический процесс без предварительного постороннего подогрева реакционной смеси до температуры, при которой химическое превращение протекает с большей скоростью 2) скорость распространения теплового фронта гораздо меньше скорости фильтрации реакционной смеси (что и дает возможность использовать такой режим) 3) при движении высокотемпературного фронта через холодный слой катализатора за областью максимальных температур образуется падающий по длине слоя температурный профиль (это свойство благоприятно с технологической точки зрения для многих, например экзотермических обратимых, процессов, так как обеспечивает высокую степень превращения или избирательность) [c.305]

Рассмотрим предельные случаи квазистационарный и скользящий режимы. При больших значениях периода адиабатический слой катализатора работает в стационарном режиме, соответствующем мгновенному значению управления. Следовательно, степень превращения в квазистационарном режиме не может превышать наилучшую стационарную величину. При очень низких значениях периода т. е. в скользящем режиме, температурный профиль в слое катализатора совпадает с одним из стационарных профилей. [c.132]

Аналогичный подход может быть использован при циклической оптимизации сложных процессов, для которых характер температурного профиля в адиабатическом слое катализатора не соответствует теоретически оптимальному профилю. [c.138]

В том случае, когда процесс лимитирует теплопередача, решением проблемы может стать многотрубный реактор, который удобнее моделировать при переходе с малого масштаба на трубы полного размера. Это позволяет избежать трудностей, которые возникают, если масштабный переход делают на основе данных, полученных в условиях, не соответствующих изотермическим и адиабатическим. Прекрасным примером сильно эндотермической реакции такого рода является реакция парового риформинга. Лучший способ испытания катализаторов риформинга заключается в испытании в трубах полного размера, т. е. на полупромышленной установке. Это большое преимущество, так как моделируется промышленная работа, при которой просто увеличивается число труб. Однако и тщательно разработанные испытания небольшого масштаба имеют большое значение — для начального быстрого просеивания новых каталитических композиций. В этих случаях используются небольшие трубные реакторы, обогреваемые таким образом, чтобы воспроизвести обычный температурный профиль в реакторе. [c.57]

Уравнения в табл. 3.2 описывают поле температур Т и концентраций с (или степеней превращения х) в слое катализатора. Характерный вид профилей Гих в слое показан на рис. 3.14. В адиабатическом процессе (рис. 3.14, а) температура и степень превращения в слое возрастают. Если экзотермический процесс протекает в охлаждаемой трубе, то температурный профиль имеет вид кривой с экстремумом (рис. 3.14,6). Вначале, когда концентрация исходного вещества высокая, процесс протекает интенсивно и температура повышается. По мере увеличения степени превращения скорость реакции и, следовательно, интенсивность тепловыделения уменьшаются, начинает превалировать теплоотвод и температура понижается до температуры охлаждающей среды (холодильника). При заметной интенсивности продольного смешения профили температур и степеней превращения выравниваются (пунктир на рис. 3.14,6). Если радиальный перенос тепла недостаточно интенсивен, то возникает градиент температур по радиусу (рис. 3.14, в), а поле температур имеет сложную форму (рис. 3.14, г). Поскольку стенки слоя для вещества непроницаемы, радиальное смешение выравнивает концентрации по радиусу и, как показывают многочисленные расчеты, радиальный профиль концентраций почти плоский и практически малочувствителен к Это позволяет при расчетах использовать значения Пд = П . [c.118]

Рис.2. Схема нестационарного температурного профиля в адиабатическом реакторе идеального вытеснения.

Если реактор используется для проведения экзотермической реакции, в адиабатическом режиме и катализатор химически очень активен, часто возникает крутой температурный профиль. В этом случае процессы могут лимитироваться массопереносом через газовую пленку, в результате образуется температурный профиль типа так называемого зажигания . При этих условиях реакция ограничена узкой зоной в слое, длиной только в несколько зерен катализатора. Если при этом происходит отравление, оно. также ограничено реакционной зоной, и поскольку эта зона становится отравленной, она перемещается вдоль по слою. Температурные профили характеризуют положение реакционной зоны и перемещение ее, вызванное отравлением. [c.151]

Отклонения от модели поршневого режима могут вызываться поперечными температурными градиентами. Если в трубчатом реакторе происходит экзотермическая реакция и тепло от него отводится с помощью некоторого внешнего охлаждающего устройства, тогда в реакторе будет наблюдаться поперечный температурный градиент. И поскольку газ в центре трубки имеет более высокую температуру, чем у стенок, температурный профиль будет иметь параболическую форму, а профиль скорости трубчатого реактора будет неплоским. Если реактор работает в адиабатических условиях, то в этом случае не будет происходить отвода тепла в радиальном направлении. Однако из-за того, что газ вблизи стенки имеет меньшую скорость, чем в центре трубки (вследствие более продолжительного пребывания газа в этой зоне наблюдается большая степень превращения), для экзотермической реакции температура в центре слоя катализатора ниже, чем у стенки реактора и в этом случае наблюдается обратный параболический температурный профиль. Для экзотермической реакции, происходящей в неадиабатических условиях, в которых наблюдается отвод тепла у стенки трубы, влияние поперечного температурного градиента и влияние профиля скорости накладываются друг на друга, в результате чего в профиле температуры наблюдается впадина, соответствующая примерно центру трубы, и небольшой максимум, соответствующий примерно стенке трубы. Когда же имеет место радиальный температурный градиент, то, по-видимому, имеется значительное изменение скорости реакции по диаметру трубы (для большинства простых реакций фактор такого изменения составляет величину 4000 и более), поскольку скорость реакции изменяется в зависимости от обратной абсолютной температуры экспоненциально. Однако существуют приближенные методы обработки расчетных данных при проектировании и для тех случаев, когда в реакторе имеются поперечные температурные градиенты. Их мы рассмотрим в разд. 9.3.2. Частицы катализатора с высокой теплопроводностью и низкой пористостью, как правило, снижают эти нежелательные влияния. Только в тех случаях, когда определенно известно, что условия в реакторе приближаются к изотермическим условиям, можно игнорировать присутствие температурных градиентов в радиальном и продольном направлениях и с достаточным основанием применять модель поршневого режима течения газового потока. [c.394]

Для получения кинетических. данных наиболее простой путь — осуществление изотермической р аботы интегральных конверторов, так как это ограничивает число переменных и облегчает интегрирование. Однако на практике изотермическая работа редко осуществляется, особенно для реакций с высокими тепловыми эффектами,вследствие ограничений в отводе тепла. Эти ограничения имеют большое значение, потому что плохой контроль за потоком тепла, приводящий к небольшим температурным градиентам в слое, может вызвать очень сильный эффект, поскольку скорость реакции экспоненциально зависит от температуры. При исследовании экзотермических реакций обычно применяют адиабатические трубные реакторы. Система температурного режима осуществляется таким образом, чтобы предотвратить утечку тепла через стенки реактора. Следовательно, профиль температур развивается вдоль длины реактора, размеры последнего зависят от теплоты реакции, теплоемкости реакционной среды и кинетики реакции. Полномасштабные заводские конверторы вследствие низкого соотношения поверхности и объема обычно работают адиабатически, и поэтому адиабатические- конверторы небольшого размера могут быть полезны для испытания на длительность пробега или для моделирования промышленной производительности. Эти конверторы могут работать либо на уровне полупромышленного масштаба, либо как пилотные установки. Адиабатические реакторы в настоящее время применяются для моделирования полномасштабных промышленных условий таких реакций, как высокотемпературная и низкотемпературная конверсия окиси углерода, реакция метанирования и синтез аммиака. [c.56]

Влияние сегрегации. На рис. 1У-29 и 1У-30 представлены графики изменения степени превращения в зависимости от безразмерного времени пребывания в моделях реакторов идеального вытеснения и идеального смешения на двух уровнях смешения, соответственно для эндотермических и экзотермических реакций. При графическом построении профилей использовалась температурная зависимость скорости реакции по Аррениусу. При этом температура исключалась путем составления теплового баланса для адиабатического реактора с последующим аналитическим или численным решением для следующих условий = 40 и Га/ о = ОД- [c.338]

Рис. 19. Способ нахождения подходящей последовательности адиабатических каталитических реакторов для приближения к температурной кривой оптимального профиля.

Теория оптимального температурного профиля применялась различными авторами. Голдербэнк рассчитал, что при оптимальном температурном профиле из 30з можно получить 54 т сутки Н ЗО на тонну катализатора при том же превращении эта величина составляет 11,4 т для чрезвычайно охлажденного слоя катализатора и 3,4 т — для двухстадийного адиабатического трубчатого реактора с промежуточным охлаждением. В работе, посвященной тому же вопросу, Марс и ван Кревелен показали, что производительность промышленных реакторов для каталитического окисления 80. может быть увеличена. Ван Хеерден и Аннабле опубликовали работу по синтезу N11 . Последний сравнил оптимальный температурный профиль с температурным профилем действующей установки они сильно отличались, а степени превращения составляли соответственно 22 и 19,2%. По-видимому, можно существенно увеличить превращение и прибыль путем снижения рециркуляции непревращенного материала (см. работу Вестертерпа ). [c.210]

Прпмер экспериментальных профилей температур по длине слоя катализатора в различные моменты времени в циклическом режиме представлен на рис. 7.3. Профили 1—3 получались в каждом из установившихся циклов приблизительно через одинаковые промежутки времени после переключения газа снизу вверх . Профиль 3 получен в момент нереключепия сверху вниз , 4 — через 8 мин после этого переключения. Опыты проведены при адиабатических разогревах реакционной смеси 38—88°С. При этом длительность цикла равнялась 20—90 мин. Во всех опытах степень превращения была близка к 100%. Максимальная температура в условиях экспериментов изменялась от 360 до 500°С. Характер циклических изменений экспериментальных температурных профилей совпадал с расчетным, а изменение максимальной темиературы при варьировании входных параметров согласовывалось с расчетными данными, а также с аналитическими оценками. [c.171]

Задача течения с учетом теплопроводности при отличающемся от нуля числе Бринкмана была аналитически решена Гэвисом и Лоренсом [4] для пластин с одинаковой температурой и адиабатического условия на неподвижной пластине (см. Задачу 10.6). Интересно заметить, что их результат содержит два значения для каждого приложенного напряжения сдвига у подвижной стенки (т. е. две различные скорости и два соответствующих температурных профиля удовлетворяют дифференциальному уравнению и граничным условиям). Однако решение должно быть единственным для заданной скорости подвижной пластины или для заданного числа Бринкмана. [c.317]

Перейдем к рассмотрению изменения профилей различных параметров вдоль реактора в системе с рециркуляционной петлей. Необходимое превращение на выходе из реактора может быть получено различными изменениями вдоль реактора параметров системы — температуры, давления, концентрации. Оно связано с количеством рециркулируемых в начало реактора компонентов. Естественно, что для каждой конкретной реакции роль указанных факторов проявляется по-разному. Несомненно, что широкое использование результатов одновременного поиска изменения профилей различных параметров может привести к весьма интересным результатам. Однако для решения этой задачи желательно дальнейшее совершенствование математических методов оптимизации и более детальное изучение химических аспектов процесса. Рассмотрение реакции дегидрирования этана показало, что существует определенный профиль температуры, который отвечает максимальной нроизвоцительности реактора по целевому продукту. При этом расход исходного сырья не является максимальным и соответствует строго определенной селективности и глубине превращения на выходе из реактора. Следовательно оптимальные профили изменения параметров режима эксплуатации действующих реакторов должны определяться одновременным изменением производительности аппарата. В частности, исследования по определению оптимального температурного профиля для консекутивной реакции показали, что в этом случае необ ходимо реакцию начать с самой высокой температуры оптимального профиля. Затем углубление процесса следует проводить по мере снижения температуры также в соответствии с оптимальным профилем, найденным, подчеркиваю, для рециркуляционной системы. Кстати, в этом плане применение увеличенной рециркуляции непрореагпровавшего сырья в адиабатических реакторах (таких, как реактор для каталитического дегидрирования этилбензола в стирол) люжет значительно повысить их мощность по свежему сырью. Прп такой постановке вопроса реакторы должны конструироваться таким образом, чтобы они удовлетворяли требованиям теории. Это противоречит существующему укоренившемуся положению, когда реакция осуществляется в готовой конструкции реактора в зависимости от его возможностей, [c.15]

Трехфазный. синтез метанола характеризуется рядом преимуществ простота конструкции реактора, достаточно равномерное распределение жидкости и газа по площади поперечного сечения реактора, возможность ввода и вывода из системы катализатора без ее остановки, сравнительно низкая осевая диффузия газа и эффективное использование тепла реакции с получением пара. Температурный профиль в реакторе приближается к изотермическому, что позволяет создать благоприятные условия для синтеза метанола. Повышение температуры в трехфазном реакторе при соотношении скоростей потоков жидкость газ, равном 1 20, составляет 4—5 °С, в то время, как прирост температуры в двухфазном адиабатическом реакторе равен 30—50°С. Истирание и потери катализатора значительно ниже, чем в двухфазных кипящих системах благодаря упругим свойствам жидкой фазы. Вследствие высокой степени превращения исходных компонентов за проход реактора в трехфаз- [c.195]

Для адиабатического реактора, рассмотренного в разд. 9.4.2, при 78%-ном превращении скорость реакции значительно уменьшалась, так что процесс почти достигал равновесных условий (показанных кривой СС на рис. 19). В этой точке отходящие газы ох.лаждались до поступления во второй адиабатический реактор. Таким образом, снова восстанавливалась высокая скорость превращения. Из этого следует, что можно получить примерно оптимальный температурный профиль, используя несколько адиабатических реакторов. Первый реактор должен был бы при этом работать в таком режиме, чтобы температура в нем достигала значения температуры на кривой максимальной скорости. После пересечения этой кривой желательно охладить реагенты до такой степени, чтобы на входе во второй адиабатический реактор поддерживалось то же самое значение скорости реакщ1и. Эта операция до известной степени произвольная, так как чем больше адиабатических реакторов входит в ряд, тем ближе приближение к кривой максимальной скорости. Путь А-1-2-3-4-5-6-7-8-9) показывает такую схему для пяти реакторов. Однако при этом требуются значительные затраты на применение оборудования для создания зон охла кдения между реакторами. На практике достаточно трех реакторов. В этом случае маршрут реакции будет следующим АА, XX, YY. Поэтому можно прийти к выводу, что для многих промышленных гетерогенно-каталитических реакций в равной мере хоропсие результаты могут быть получены и при значительно более экономичной работе реактора при минимальной температуре изотермического ре/кима. [c.444]

Высокая стоимость и большие трудности эксплуатации оборудования для теп,пообмена и регулирующей аппаратуры, необходимых для поддержания правильного оптимального температурного градиента, могут оказаться очень важным фактором при решении вопроса об экономической целесообразности применения соответствующих теплообменников в реакторах. Сюда же добавляется серьезная проблема необходимости отвода достаточного количества тепла от реактора для поддержания желательного температурного градиента. Требования к теплопередаче могут оказаться столь значительными, что будут сводить на нет преимущества, получаемые при использовании ре/кима с падающим температурным градиентом. Однако при условии что реакция не слишком экзотермична при работе реактора в изотермическом режиме, будут достигаться вполне сопоставимые результаты, но без сопутствующих градиентному режиму трудностей, связанных с необходимостью удаления избыточных количеств тепла на выходе из реактора. Но всегда с,ледует помнить, что при управлении реактором в изотермхгческом режиме также требуется применять дорогостоящее оборудование для улучягения теплопередачи. Следовательно, необходимо тщательно учесть все практические трудности и затраты, связанные с методом управления, прежде чем решить, будет ли оптимальный температурный профиль или оптимальная температура при изотермическом режиме давать определенный экономический эффект. Чаще выгоднее использовать последовательность адиабатических реакторов. [c.444]

В качестве типичного примера расчета количества катализатора Везер приводит расчет, сделанный Калдербенком Для первой секции был принят изотермический режим ( = 560°С). Адиабатический процесс в температурном интервале 430—560 °С не соответствует оптимальному профилю температуры. Кроме того, Калдербенк принимает, что в первой секции скорость реакции постоянна. Это, конечно, не соответствует действительности, так как, несмотря на постоянство температуры, скорость реакции изменяется [c.341]

Зависимость размерной скорости распространения фронта м = ии от скорости фильтрации немоното нна и имеет отрицательный минимум, а 0ц > 0. При ао = максимальная температура и скорость распространения фронта полностью определяются всеми прочими параметрами и, в частности, параметром X. Но как видно из оценок (3.48) и (3.49), всегда можно подобрать такое значение Я, при котором фронт распространяется навстречу потоку газа. В то же время при конечном значении параметра ао скорость распространения меньше, чем при бесконечном, а значит, тем более она отрицательна. О структуре фронта реакции — его профиле — можно судить на основании выражений (3.42), показывающих, что в зоне прогрева (охлаждения) температурные профили имеют экспоненциальный характер, а также на основании оценок максимальной температуры и ширины зоны химической реакции. Хотя структура теплового фронта в зоне реакции существенно зависит от кинетической модели процесса, такие характеристики, как максимальная температура и ширина реакционной зоны, вполне достаточны для практических целей. В частности, анализ приведенных оценок позволяет сделать вывод о том, что для реакторов с неподвижным слоем катализатора при низких входных температурах и малых адиабатических разогревах реакционной смеси можно всегда подобрать такие условия ведения процесса, при которых в нестационарном режиме будет достигнута достаточно высокая максимальная температура, обеспечивающая большую скорость химического превращения, причем достигнута она будет на небольшом участке слоя катализатора [16]. Реальные ограничения на максимальную температуру связаны только с величиной допустимого гидравлического сопротивления слоя катализатора. [c.89]

Проблемы интенси( )икации химических процессов привлекают в последнее время всеобщее внимание. Один из методов интенсификации промышленных процессов заключается в целенаправленной организации химических процессов, которая обеспечивает заданную производительность с высокой селективностью. Под целенаправленной организацией мы понимаем такие воздействия на процесс, на всех уровнях иерархии ( химическая реакция, зерно катализатора, межфазный тепло- и массоперенос, гидродинамика потока ), которые приводят к достижению наиболее эффективных режимов работы реакторного оборудования. Анализируются условия возникновения множественности стационарных состояний в фазовом пространстве и возможности смещения стационарных точек по фазовому пространству варьированием условий проведения каталитического процесса в адиабатическом реакторе. Проводится анализ химически реагирующей среды в зерне катализатора и реакторе с целью вывода уравнений, которые существенно упрощают как вычисление температурных и концентрационных профилей, так и процедуру установления областей множественности стационарных состояний. [c.108]

Для получения сопоставимых результатов расчет производится следующим образом. При заданных температурных условиях и плотности орошения рассчитывают адиабатический режим, в результате которого определяют величины и ф (коэффициент извлечения пропана для данного случая). Затем подбирают такой изотермический режим, при котором достигается заданный коэффициент извлечения пропана, и таким образом определяют профиль теплосъема по высоте аппарата. После этого проводят поиск оптимума по описанному выше алгоритму. Результаты расчетов представлены в табл. П1.8 и на рис. П1.57—П1.59. [c.219]

Профиль температур в реакционной зоне имеет типичный для реакторов с теплоотводом вид экстремальной зависимости. Температура хладагента - свежей реакционной смеси - будет возрастать по мере продвижения вдоль трубок. Температурные профили показаны справа на рис. 2.69. Процесс в реакционной зоне протекает с теплоотводом, а в реакторе в целом - адиабатически, поскольку посторонний теплоноситель отсутствует. Поэтому разность температур между входным и выходным потоками равна адиабатическому разогреву ДГадХ Такой режим и реактор называют автотермтескими. [c.144]

В гл. 8 приведен ряд типичных примеров представлений и принципов, обсуждавшихся в предыдущих главах. В этой главе рассматриваются процессы каталитического окисления, гидрирования, крекинга, синтеза и разложения, а также некоторые аспекты электрокатализа и несколько необычных типов гетерогенного катализа, влияние твердых примесей на процесс окисления элементарного углерода. Рассмотрение каталитических реакторов в гл. 9 охватывает элементарный учет массопереноса, теплопередачи и газовой диффузии, некоторые конструкторские расчеты для адиабатических и изотермических условий, а такя е оптимизацию температурных и концентрационных профилей в различных типах слоев катализаторов. [c.19]

В соответствии с уравнениями (6) или (6а) заметный перегрев внутри пористого зерна катализатора может быть получен только при высоких значениях )эф, т. е. при объемной диффузии в больших порах. Кнудсеновский -поток, как уже показали Вайс и Хикс 20], дает только малые эффекты даже при больших значениях ( —АН) и малых X в уравнении (6). Для того чтобы проверить эту теорию, были проведены эксперименты с использованием катализатора с макроскопическими параллельными порами [22]. Стержни из керамического материала (алюмосиликат, поверхность БЭТ — 6,3 м /г) диаметром 0,2 см и длиной 4,9 см были покрыты слоем СиО как катализатором для разложения КгО. Контактный узел из 150 стержней, плотно вложенный в стеклянную трубу, вводился в нагреватель типа калориметра (рис. 5). Этот прибор служил для поддержания приблизительно адиабатических условий па стенках н дне трубки. Верхняя поверхность стержней подвергалась воздействию газового потока, который подавался так, как это показано иа рис. 5. Во время опытов нижняя часть стержней дополнительно нагревалась медной печью (см. рис. 5), чтобы гарантировать исчезновение температурных градиентов на дне. На рис. 6 показано несколько профилей, измеренных скользящей термопарой вдоль оси стерл ня, С помощью большой печи температура на поверхности поддерживалась постоянной (Г., = 853°К), а состав газа на поверхности (с .) менялся. Разность температур между поверхностью и центром поднялась до 36° пропорционально как и следовало ожидать из уравнения (6а) (с .о = О на дне). [c.22]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология